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CN105529777A - 一种易于扩展的2n电池组均衡电路 - Google Patents

一种易于扩展的2n电池组均衡电路 Download PDF

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CN105529777A CN201610060795.4A CN201610060795A CN105529777A CN 105529777 A CN105529777 A CN 105529777A CN 201610060795 A CN201610060795 A CN 201610060795A CN 105529777 A CN105529777 A CN 105529777A
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康龙云
李文彪
冯腾
郭向伟
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Abstract

本发明公开了一种易于扩展的2n电池组均衡电路，来保证电池组中的单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放，改善串联电池组不均衡的现象，延长电池组的使用寿命，且易于扩展到更多的电池串联。其特征在于，当需要增加串联电池数时，每2个电池为一小组，只用添加一个扩展子电路就可以连接在原有电路上，且不会对原电路造成影响。在充放电过程中，首先均衡的是每个小组中的单体电池，然后对每个小组进行均衡，最终实现整组电池的能量均衡。

Description

一种易于扩展的2n电池组均衡电路
技术领域
本发明涉及混合动力汽车、纯电动汽车或蓄能装置的电池管理系统领域，特别涉及一种易于扩展的2n电池组均衡电路。
背景技术
近年来，随着空气质量的日益恶化以及石油资源的渐趋匮乏，低排放、低油耗的新型电动汽车成为当今世界各大汽车公司的开发热点。动力电池组作为电动汽车的关键部件，对整车动力性、经济性和安全性都有重大影响。动力电池组在经过多个充放电循环后，各电池单体的剩余容量的分布大致会出现三种情况：个别电池单体的剩余容量偏高；个别电池单体的剩余容量偏低；个别电池单体的剩余容量偏高和个别电池单体的剩余容量偏低。如此一来，在实际使用中，将严重影响电池组使用寿命，并且容易出现过充和过放现象。
针对上述三种情况，为了改善电池组的不一致性问题，提高电池组的整体性能，则需要采用均衡控制。目前锂离子电池组均衡控制的方法，根据均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类；按照均衡功能分类，可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡，一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡，通过减小充电电流防止过充电；放电均衡是指在放电过程中的均衡，通过向剩余能量低的电池单体补充能量来防止过放电；动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，是指在整个充放电过程中对电池组进行的均衡。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种易于扩展的2n电池组均衡电路，来保证电池组中的单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放，改善串联电池组不均衡的现象，延长电池组的使用寿命，且易于扩展到更多的电池串联。其特征在于，当需要增加串联电池数时，每2个电池为一小组，只用添加一个扩展子电路就可以连接在原有电路上，且不会对原电路造成影响。在充放电过程中，首先均衡的是每个小组中的单体电池，然后对每个小组进行均衡，最终实现整组电池的能量均衡。
本发明的目的通过如下技术方案实现：一种易于扩展的2n电池组均衡电路，包括电池组模块和均衡电路模块；所述电池组模块由2n个电池串联组成，每2个电池为一小组，电池单体由下至下分别命名为B0a、B0b、B1a、B1b、……、B(n-1)a、B(n-1)b，n＝1,2，……∞，所述均衡电路模块包括基础部分与扩展部分，基础部分由电池B0a、B0b、电感L0和MOSFET开关管S0a、S0b组成，其中B0a与B0b串联连接，B0a的负极与L0一端相连，L0的另一端与S0a的源极、S0b的漏极相连，S0a的漏极与B0a的正极相连，S0b的源极与B0b的负极相连，扩展部分由电池Bma、Bmb及其对应的扩展子电路组成，其中m＝1,2，……，n-1。
所述电池组模块是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池。
所述扩展子电路的数量为n-1；每个扩展子电路由四个带续流二极管的MOSFET以及两个储能电感L构成，与本组电池Bma、Bmb相连接的上桥臂MOSFET为Sma、下桥臂MOSFET为Smb、电感为Lma，连接上一组电池与本组电池的上桥臂MOSFET为Smc、下桥臂MOSFET为Smd、电感为Lmb，所述Sma的源极与Smb的漏极和储能电感Lma的一端相连；Lma的另一端作为输出端c，Sma的漏极作为输出端b，Smb的源极作为输出端d，Smc的源极与Smd的漏极和储能电感Lmb的一端相连，Lmb的另一端与Sma的漏极相连，Smd的源极与Smb的源极相连，Smc的漏极作为输出端a，输出端a与上一组电池B(m-1)a的正极相连，输出端b与本组电池Bma的正极相连，输出端c与Bmb的正极相连，输出端d与Bmb的负极相连，MOSFET的栅极均与控制电路相连接，使MOSFET的开通和关断由控制电路控制。
所述控制电路控制信号的频率的大小应根据所控制的电路储能电感的电感值、MOSFET的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定。
所述控制电路的输出驱动信号的占空比应至少能使储能电感L在每个信号周期内复位，即在一个开关周期内储能电感的电流最终都必须要下降到零。
所述基础部分在充放电过程中，若电池B0a的端电压比B0b的端电压高，为了避免B0a过充或B0b过放，在一个PWM周期内，使B0a对应的上桥臂MOSFETS0a导通，则电流通过B0a、S0a以及L0，B0a放电为L0储存能量；S0a导通一定时间后使其关断，此时电流通过B0b对应的下桥臂MOSFETS0b的续流二极管、L0以及B0b，L0释放能量至B0b，实现了能量从B0a到B0b的转移。
所述扩展子电路在充放电过程中，若电池Bma的端电压比Bmb的端电压高，为了避免Bma过充或Bmb过放，在一个PWM周期内，使Bma对应的上桥臂MOSFETSma导通，则电流通过Bma、Sma以及Lma，Bma放电为Lma储存能量；Sma导通一定时间后使其关断，此时电流通过Bmb对应的下桥臂MOSFETSmb的续流二极管、Lma以及Bmb，Lma释放能量至Bmb，实现了能量从Bma到Bmb的转移；均衡完小组内的电池后，再比较本小组电池与上一小组电池的端电压，若本小组电池的端电压高于上一小组电池的端电压，则在一个PWM周期内，使本小组电池对应的下桥臂MOSFETSmd导通，则电流通过本小组电池Bma、Bmb、Lmb以及Smd，Bma、Bmb放电为Lmb储存能量，Smd导通一定时间后使其关断，此时电流通过上一小组电池对应的上桥臂MOSFETSmc的续流二极管、Lmb以及B(m-1)a、B(m-1)b，Lmb释放能量，给B(m-1)a、B(m-1)b充电，实现了能量从本小组电池到上一小组电池的转移。
与现有技术相比本发明在串联电池组电池管理系统中采用上述双向动态均衡技术，能保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题，延长电池组的使用寿命，且易于扩展串联电池数。
附图说明
图1是以6节电池为例的均衡电路原理图。
图2是扩展子电路原理图。
图3是基础部分的工作过程原理图。
图4是扩展部分的工作过程原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于包括电池组模块和均衡电路模块；所述电池组模块由2n个电池串联组成，每2个电池为一小组，电池单体由下至下分别命名为B0a、B0b、B1a、B1b、……、B(n-1)a、B(n-1)b，所述均衡电路模块包括基础部分与扩展部分，基础部分由电池B0a、B0b、电感L0和MOSFET开关管S0a、S0b组成，其中B0a与B0b串联连接，B0a的负极与L0一端相连，L0的另一端与S0a的源极、S0b的漏极相连，S0a的漏极与B0a的正极相连，S0b的源极与B0b的负极相连，扩展部分由电池Bma、Bmb及其对应的扩展子电路组成，其中m＝1,2，……，n-1，n＝1,2，……∞。
如图1是以6节电池为例的均衡电路原理图。其中，串联电池组由6节电池串联组成，每2节电池为一小组，电池单体由下至下分别命名为B0a、B0b、B1a、B1b、B2a、B2b。电池组均衡电路分为基础部分与扩展部分。基础部分由电池B0a、B0b、电感L0和MOSFET开关管S0a、S0b组成，扩展部分由电池B1a、B1b、B2a、B2b及其对应的扩展子电路组成。B1a、B1b对应的扩展子电路包括MOSFET开关管S1a、S1b、S1c、S1d以及电感为L1a、L1b。B2a、B2b对应的扩展子电路包括MOSFET开关管S2a、S2b、S2c、S2d以及电感为L2a、L2b。
如图2是扩展子电路原理图。每个扩展子电路由四个带续流二极管的MOSFET以及两个储能电感L构成，与本组电池Bma、Bmb相连接的上桥臂MOSFET为Sma、下桥臂MOSFET为Smb、电感为Lma，连接上一组电池与本组电池的上桥臂MOSFET为Smc、下桥臂MOSFET为Smd、电感为Lmb。Sma的源极与Smb的漏极和储能电感Lma的一端相连。Lma的另一端作为输出端c，Sma的漏极作为输出端b，Smb的源极作为输出端d，Smc的源极与Smd的漏极和储能电感Lmb的一端相连，Lmb的另一端与Sma的漏极相连，Smd的源极与Smb的源极相连，Smc的漏极作为输出端a。输出端a与上一组电池B(m-1)a的正极相连，输出端b与本组电池Bma的正极相连，输出端c与Bmb的正极相连，输出端d与Bmb的负极相连。MOSFET的栅极均与控制电路相连接，使MOSFET的开通和关断由控制电路控制。
如图3是基础部分的工作过程原理图。在充放电过程中，若电池B0a的端电压比B0b的端电压高，为了避免B0a过充或B0b过放，在一个PWM周期内，使B0a对应的上桥臂MOSFETS0a导通，则电流通过B0a、S0a以及L0，B0a放电为L0储存能量；S0a导通一定时间后使其关断，此时电流通过B0b对应的下桥臂MOSFETS0b的续流二极管、L0以及B0b，L0释放能量至B0b，实现了能量从B0a到B0b的转移。
如图4中两个图是扩展部分的工作过程原理图。其中与自己本组电池B1a、B1b相连接的上桥臂MOSFETS1a、下桥臂MOSFETS1b、电感L1a以及与电池B2a、B2b相连接的上桥臂MOSFETS2a、下桥臂MOSFETS2b、电感L2a的工作过程与基础部分的工作过程是一样的，均是用来均衡与自己对应的小组内的单体电池。小组间的均衡过程如下：在充放电过程中，比较本小组电池与上一小组电池的端电压，假设第0小组B0a、B0b的端电压高于第1小组B1a、B1b的端电压，第1小组B1a、B1b的端电压高于第2小组B2a、B2b的端电压，则在一个PWM周期内，使第1小组电池对应的上桥臂MOSFETS1c导通，第2小组电池对应的上桥臂MOSFETS2c导通，则电流iL1b通过第0小组电池B0a、B0b、L1b以及S1c，电流iL2b通过第1小组电池B1a、B1b、L2b以及S2c，B0a、B0b放电为L1b储存能量，B1a、B1b放电为L2b储存能量。S1c、S2c导通一定时间后使其关断，此时电流iL1b通过第1小组电池对应的下桥臂MOSFETS1d的续流二极管、L1b以及B1a、B1b，电流iL2b通过第2小组电池对应的下桥臂MOSFETS2d的续流二极管、L2b以及B2a、B2b，L1b释放能量给B1a、B1b充电，L2b释放能量给B2a、B2b充电，实现了能量从端电压最高的小组电池到端电压最低的小组电池的转移。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于包括电池组模块和均衡电路模块；所述电池组模块由2n个电池串联组成，每2个电池为一小组，电池单体由下至下分别命名为B0a、B0b、B1a、B1b、……、B(n-1)a、B(n-1)b，其中n＝1,2，……∞，所述均衡电路模块包括基础部分与扩展部分，基础部分由电池B0a、B0b、电感L0和MOSFET开关管S0a、S0b组成，其中B0a与B0b串联连接，B0a的负极与L0一端相连，L0的另一端与S0a的源极、S0b的漏极相连，S0a的漏极与B0a的正极相连，S0b的源极与B0b的负极相连，扩展部分由电池Bma、Bmb及其对应的扩展子电路组成，其中m＝1,2，……，n-1。
2.根据权利要求1所述的易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于：所述电池组模块是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池。
3.根据权利要求1所述的易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于：所述扩展子电路的数量为n-1；每个扩展子电路由四个带续流二极管的MOSFET以及两个储能电感L构成，与本组电池Bma、Bmb相连接的上桥臂MOSFET为Sma、下桥臂MOSFET为Smb、电感为Lma，连接上一组电池与本组电池的上桥臂MOSFET为Smc、下桥臂MOSFET为Smd、电感为Lmb，所述Sma的源极与Smb的漏极和储能电感Lma的一端相连；Lma的另一端作为输出端c，Sma的漏极作为输出端b，Smb的源极作为输出端d，Smc的源极与Smd的漏极和储能电感Lmb的一端相连，Lmb的另一端与Sma的漏极相连，Smd的源极与Smb的源极相连，Smc的漏极作为输出端a，输出端a与上一组电池B(m-1)a的正极相连，输出端b与本组电池Bma的正极相连，输出端c与Bmb的正极相连，输出端d与Bmb的负极相连，MOSFET的栅极均与控制电路相连接，使MOSFET的开通和关断由控制电路控制。
4.根据权利要求3所述的易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于：所述控制电路控制信号的频率的大小应根据所控制的电路储能电感的电感值、MOSFET的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定。
5.根据权利要求4所述的易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于：所述控制电路的输出驱动信号的占空比应至少能使储能电感L在每个信号周期内复位，即在一个开关周期内储能电感的电流最终都必须要下降到零。
6.根据权利要求1所述的易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于：所述基础部分在充放电过程中，若电池B0a的端电压比B0b的端电压高，为了避免B0a过充或B0b过放，在一个PWM周期内，使B0a对应的上桥臂MOSFETS0a导通，则电流通过B0a、S0a以及L0，B0a放电为L0储存能量；S0a导通一定时间后使其关断，此时电流通过B0b对应的下桥臂MOSFETS0b的续流二极管、L0以及B0b，L0释放能量至B0b，实现了能量从B0a到B0b的转移。
7.根据权利要求1所述的易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于：所述扩展子电路在充放电过程中，若电池Bma的端电压比Bmb的端电压高，为了避免Bma过充或Bmb过放，在一个PWM周期内，使Bma对应的上桥臂MOSFETSma导通，则电流通过Bma、Sma以及Lma，Bma放电为Lma储存能量；Sma导通一定时间后使其关断，此时电流通过Bmb对应的下桥臂MOSFETSmb的续流二极管、Lma以及Bmb，Lma释放能量至Bmb，实现了能量从Bma到Bmb的转移；均衡完小组内的电池后，再比较本小组电池与上一小组电池的端电压，若本小组电池的端电压高于上一小组电池的端电压，则在一个PWM周期内，使本小组电池对应的下桥臂MOSFETSmd导通，则电流通过本小组电池Bma、Bmb、Lmb以及Smd，Bma、Bmb放电为Lmb储存能量，Smd导通一定时间后使其关断，此时电流通过上一小组电池对应的上桥臂MOSFETSmc的续流二极管、Lmb以及B(m-1)a、B(m-1)b，Lmb释放能量，给B(m-1)a、B(m-1)b充电，实现了能量从本小组电池到上一小组电池的转移。
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